专利名称：空间调制干涉型计算层析成像光谱仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种干涉型计算层析成像光谱仪，属于遥感技术领域中成像光谱仪的设计制作技术范畴；特别涉及空间调制干涉型计算层析成像光谱仪的光学系统设计。
背景技术：
计算层析成像光谱仪(computed-tomography imaging spectrometer)简称CTIS，是近年来倍受人们重视的新型成像光谱仪技术。与当前受到普遍重视的另一种高光谱分辨率成像光谱仪技术即傅立叶变换成像光谱仪相比较，CTIS的光学系统具有更高的光通量，因此更易于制作成高灵敏度的成像光谱系统。
把计算层析术(CT)应用于成像光谱仪领域的思想早在20世纪90年代初期就由日本及俄罗斯的学者提出。在此之后，包括我国在内的世界各国科技工作者纷纷在该方向上开展研究[。目前通常使用的CT成像光谱仪的基本原理可以概括为一个沿三维方向分布(二维空间和一维光谱)的多光谱图像数据立方体，可以压缩或投影成沿二维方向分布(一维空间和一维光谱)的多光谱光学图像序列；这些被压缩的二维多光谱光学图像序列由一个或多个二维焦平面阵列探测器接收；采用CT重建算法将压缩的二维多光谱光学图像序列重建为原始目标的光谱图像数据立方体。
迄今为止，国际上公布的CT成像光谱仪的实现方案有多种，例如景物旋转方式、光学棱镜或色散部件旋转方式、仪器整体旋转方式以及二元位相型平面光栅(或一维组合光栅)分束投影方式等等。其中，采用旋转投影方式的CTIS的共同特点是在光路中采用一套一维色散元件以及光学狭缝，因此它们的光谱分辨率受到狭缝宽度的制约。另一种采用二元平面光栅分束投影结构的CTIS虽然不需要光学狭缝，但它也存在另一些致命的缺陷其投影角度数量有限以及投影角度存在盲区，即所谓的“锥失”(missing cones)现象，因此该类系统的光谱及空间分辨率是非常有限的，只适合于某特殊场合的使用。
在国内专利方面，中国专利№01213109，№01213108，№99256129，№99256131，№99115953，№99115952为非层析式的干涉型成像光谱仪；№00261470，№99256128为色散式计算层析成像光谱仪，不属于干涉型成像光谱仪范畴。
在国外专利方面，美国专利US2004021934，US5260767为全反射式色散型成像光谱仪。US6519040，US4523846为非计算层析的干涉型成像光谱仪。上述系统都不是计算层析式成像光谱仪。US6522403为采用二维光栅的色散型CT成像光谱仪，不属于干涉型范畴。
总之，在目前所使用的成像光谱仪中没有将空间调制干涉技术和计算层析成像技术结合使用的先例。
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发明内容
本发明是一种新型的成像光谱仪——空间调制干涉型计算层析成像光谱仪[CTII(computed-tomography imaging interferometer)]。它把传统空间调制式傅立叶变换成像光谱仪的原理与计算层析成像光谱仪的原理巧妙结合起来，在光学结构设计和数据处理分析过程中同时使用了空间调制干涉技术和计算层析成像技术。具有高光通量、高光谱分辨率、高空间分辨率和高信噪比的特点，并且易于实现。
本发明主要由前置望远系统、旋转投影器、干涉光学系统，二维焦平面探测器，数据采集处理系统等组成。干涉光学系统采用大口径投影式空间调制干涉结构，具体形式为产生等厚干涉条纹的迈克尔逊式干涉器，并用柱透镜系统进行投影扩展。光路中无须采用传统干涉光路中常见的光学狭缝，因此可充分的利用光能。前置望远镜观察目标，入射光线经准直镜作用后成为准直光束；旋转投影器对准直光图像以一定步长进行旋转，获得不同角度的图像此旋像过程采用道威棱镜或其他旋像机构来实现；干涉光学系统使从旋转投影器出射的准直光束进行干涉、投影及聚焦，在聚焦镜的像方焦平面上可以同时得到清晰的投影图像和干涉条纹；分别采用光谱响应范围为可见光及近红外(0.4～1μm)、短波红外(1～5μm)以及长波红外(8～14μm)的二维焦平面探测器采集干涉投影图像信号，实现宽频域干涉投影数据序列采集。数据采集处理系统以智能化的微处理器为核心，对焦平面探测器输出的信号进行采集和处理，完成由空域到频域的变换，获得图像的光谱分布，同时经计算层析投影重建后可得到光谱图案数据立方体。投影重建算法普通CTIS的算法相同。
与普通计算层析成像光谱仪相比较，CTII采用干涉结构代替常用的色散结构，在计算过程中用傅立叶变换把干涉图案转变成为光谱图案。与传统的傅立叶变换成像光谱仪相比较，成像环节采用了先进的计算层析成像技术。
本发明具有高灵敏度、高光谱分辨率、高空间分辨率及高信噪比的特点，特别适合于航空航天遥感领域的高光谱成像系统。
图1本发明的干涉型计算层析成像光谱仪的系统光路示意。
图2本发明的大口径投影式空间调制干涉结构示意。
图3目标重建过程中目标旋转及投影示意。
图4实施原理图。
图中主要结构为1-前置望远镜、2-准直镜、3-旋转投影器、4-干涉分束器、5-聚焦镜系统、6-柱透镜系统、7-二维焦平面探测器、8-数据采集处理系统。
具体实施例方式
本发明叙述的空间调制干涉型计算层析成像光谱仪，其特点是在光学结构设计和数据处理分析过程中同时采用干涉调制技术和计算层析成像技术，并在干涉环节使用大口径投影式空间调制干涉结构，是一种创新式的成像光谱仪。现结合图1，图2，图3和图4将其原理进行说明。
如图1所示，本发明由前置望远系统、旋转投影器(3)、干涉光学系统，二维焦平面探测器(7)和数据采集处理(8)系统等部分组成。包括目标观测，目标图像旋转投影、光学干涉投影成像、采集干涉投影图案数据序列，经傅立叶变换获取光谱数据序列，通过CT投影重建数据立方体等过程。
前置望远系统由前置望远镜(1)和准直镜(2)组成，可以采用反射式或透射式结构，其焦距、孔径、视场、像差水平以及光谱带宽等应当根据成像光谱仪系统的总体要求进行设计。前置望远镜观察目标，入射光线在光路中无须经过传统的光学狭缝，因此可以减少目标光能的损失，这正是本发明的高通量的特点。入射光线经准直镜作用后成为准直光束。旋转投影器(3)对准直光图像以一定步长进行旋转，获得不同角度的图像。步长＝旋转角度/采集图像数目，在实施举例中选取为1°。此旋像过程采用道威棱镜或其他旋像机构来实现。在实施举例中采用道威棱镜。干涉光学系统使从旋转投影器出射的准直光束进行干涉、投影及聚焦，在聚焦镜(5)的像方焦平面上用探测器(7)接收，得到清晰的投影图像和干涉条纹。干涉光学系统采用大口径投影式空间调制干涉结构。具体形式为迈克尔逊干涉分束器(4)，并采用柱透镜系统(6)进行投影扩展(见图2)。其产生干涉条纹为等厚条纹。这种干涉结构可充分利用目标的光能，且可在焦平面探测器上产生理想像，是一个理想的干涉投影成像系统。干涉面在平面反射镜的共轭面上，成像面在聚焦镜的焦平面上。干涉图案条纹方向平行于柱透镜系统母线。干涉装置将在后面介绍。分别采用光谱响应范围分别为可见光及近红外(0.4～1μm)、短波红外(1～5μm)以及长波红外(8～14μm)的二维焦平面探测器采集干涉投影图像信号，实现宽频域干涉投影数据序列的采集(其中红外部分采用透红外干涉装置测量)。数据采集处理系统(8)以智能化的微处理器为核心，对探测器输出的信号进行采集和处理，完成由空域到频域的变换，获得图像的光谱分布，同时经CT投影重建后可得到光谱图案数据立方体。投影重建算法与普通CTIS的算法相同，将在后面进行介绍。
图2为大口径投影式空间调制干涉结构的示意。分束器的两平面镜不是90度，而是其中一面平面镜略有一偏角θ。入射光线经半反半透分束板并在平面镜反射后，因θ角的存在而产生光程差，因此发生干涉。产生条纹的类型为等厚干涉条纹。此时，为了在探测器的像方焦平面上得到投影图像的同时也得到干涉条纹像，就需要适当的选择柱透镜系统的焦距和位置。这样在整个焦平面探测器上，我们就可以得到被测二维目标的一幅完整的投影干涉图。在本发明中柱透镜系统位于聚焦镜和焦平面探测器之间，母线平行于干涉分束器两平面反射镜。
假设目标源的功率频谱密度为S’(v)，当相干光的强度相同而光程差相差为Δ时，干涉场的强度为I(Δ)=C′∫0+∞S′(v)[1+cos(2πvcΔ)]]]>其中C’为一个常数。由于我们只关心干涉图像的可变部分，因此可以对探测器上的干涉图像进行去直流操作，最后得到的干涉图函数为G(Δ)=C′∫0+S′(v)cos(2πvcΔ)dv]]>
G(Δ)是可测量的，称为“干涉图”。对G(Δ)作逆傅立叶余弦变换，就能求得S’(v)。为了可以采用现成的傅立叶变换程序，往往把它改写成傅立叶变换形式G(Δ)=C′2∫-∞+∞S′(v)exp(-j2πvcΔ)dv]]>或S′(v)=2cC′∫-∞+∞G(Δ)exp(j2πvcΔ)dΔ]]>其频谱分辨能力只取决于Δ的最大变化量，这个量越大，S’(v)可能出现的“频率”就越高，其分辨本领就越大。在本发明中，Δ的大小与干涉分束器中倾斜的平面反射镜的倾斜角θ和焦平面探测器的分辨率密切相关。θ越大，Δ随之也越大。但Δ的上限受探测器分辨率限制。ΔL为最大光程差，D为通光孔径，ΔL＝2×D×tanθ.通常θ小于1°。在实施举例中，采用0.16°实施中的难点在于如何实现目标的共轴旋转。采用道威棱镜，旋转精度要求较高。在成像维上，探测器恰好位于被测目标的共轭面上，因此可以产生理想像。本装置是一个理想的投影干涉成像系统。
结合图3，我们来说明本发明的图像重建过程。进行重建的方法有很多种，可以采用直接FFT求逆法、滤波(卷积)反投影法以及代数重建技术(ART)。我们采用直接FFT求逆法。
设CTII系统输入图像信息为f(x，y，λ)。其中x，y表示图像平面，垂直于光轴方向，λ为图像的光谱维分布，垂直于x，y平面。又设CTII系统的图像投影方向平行于y轴，则二维输入图像f(x，y，λ)在x方向上的一维投影为(此时把λ看作固定参数)p(x,λ)=∫-∞+∞f(x,y,λ)dy---(1)]]>再设θ为图像的旋转角度，则任意θ角旋转图像的投影为(如图3所示)pθ(x,λ)=∫-∞+∞fθ(x,y,λ)dy---(2)]]>其中fθ(x，y，λ)＝f(xcosθ-ysinθ，xsinθ+ycosθ，λ) (3)令θ在0～π范围内以等角度间距旋转n个角度，于是在CTII中可以采集到对应于pθ(x，λ)的n组干涉图案，设该干涉图案分布为Iθ(x，r)，其中x方向仍然代表投影分布，r方向则反映干涉条纹强度变化。根据傅立叶变换光谱仪原理，对Iθ(x，r)图案序列进行沿r方向的一维傅立叶变换，就可以还原到投影图案的pθ(x，λ)序列。
根据中心切片定理(即投影定理)，旋转图像fθ(x，y，λ)沿y轴方向的投影pθ(x，λ)的一维傅立叶变换(x为变量)，记为Pθ(ρ，λ)，给出原始图像f(x，y，λ)的二维傅立叶变换F(ξ，η，λ)的一个切片，该切片与ξ轴的夹角为θ，且通过坐标原点。
因此，问题的关键是如何构造出二维傅立叶变换F(ξ，η，λ)。对于本文的离散采样情况，可以把n个不同θ角投影的Pθ(ρ，λ)数据在ξ，η坐标平面内沿各自的直线方向排列，这些直线与x轴的交角为θ，且都过坐标原点。一般情况下，n个Pθ(ρ，λ)序列无法将ξ，η坐标平面填满，此时可以用内插法将空缺部分填满。
对构造出的F(ξ，η，λ)进行二维离散傅立叶变换，则还原到f(x，y，λ)，即所需的光谱图像数据立方体。
实施举例以图4中的黑白方块状图案为目标，用普通白炽灯光源进行照明，并用面阵CCD成像，取得了0°、45°、90°三个典型角度的投影干涉图案，结果如图4所示，该图是一种图谱合一的采样结果，其中水平方向表现干涉条纹分布，垂直方向表现投影图案的灰度分布。从中可以看出(1)0°、45°、90°的投影灰度分布与图4在三个方向上的投影吻合，每一幅图案在水平方向投影灰度分布均与理想情况相符合，本实验装置的投影灰度分布效果已经达到了非常好的效果。(2)干涉条纹以图案的中心呈对称分布，其调制度在中心处为最大，沿左右两边迅速衰减，这与白光的干涉规律完全吻合；若进行水平方向的一维傅立叶变换，就可以得到垂直方向上各个位置的光谱分布。
经过CT投影重建，可看到复原后的图片与目标基本完全一致。
权利要求
1.一种空间调制干涉型计算层析成像光谱仪，包括光学系统结构、焦平面探测器(7)以及数据采集处理系统(8)；其特征是在光学系统中采用了大口径投影式空间调制干涉结构。
2.如权利要求1所述的空间调制干涉型计算层析成像光谱仪的干涉光学系统结构，其特征是整个光学系统结构由前置望远镜(1)、准直镜(2)、旋转投影器(3)、干涉分束器(4)、聚焦镜系统(5)、柱透镜系统(6)组成；其中旋转投影器(3)采用道威棱镜或其它旋像结构；干涉分束器(4)的两面反射镜不垂直，而是具有一定角度；柱透镜系统(6)位于聚焦镜系统(5)和二维焦平面探测器(7)之间，且母线平行于干涉分束器(4)的两平面反射镜；柱透镜系统(6)亦可位于光路中的其他位置，其母线方向亦相应变化；柱透镜系统(6)亦可用柱面镜系统替代；二维焦平面探测器(7)位于聚焦透镜(5)的像方焦平面位置。
全文摘要
一种空间调制干涉型计算层析成像光谱仪。属于遥感技术领域中成像光谱仪的设计技术范畴。其主要组成结构为前置望远系统、旋转投影器、干涉光学系统，二维焦平面探测器和数据采集处理系统。干涉光学系统采用大口径投影式空间调制干涉结构，具体形式为产生等厚干涉条纹的迈克尔逊式干涉器，并用柱面(透)镜进行投影扩展。入射光经准直镜作用后成为准直光束；旋转投影器对准直光图像以一定步长进行旋转，获得不同角度的图像；干涉光学系统使从旋转投影器出射的准直光束进行干涉、投影及聚焦，在聚焦镜的像方焦平面上可以同时得到投影图像和干涉条纹；数据采集处理系统对输出的数据进行由空域到频域的变换，获得图像的光谱分布，同时经计算层析投影重建后得到光谱图案数据立方体。本发明具有高灵敏度、高光谱分辨率、高空间分辨率的特点。
文档编号G01S17/89GK1766532SQ200510130308
公开日2006年5月3日 申请日期2005年12月9日 优先权日2005年12月9日
发明者廖宁放, 林宇, 赵达尊, 吴文敏, 方俊永, 林军, 贺书芳 申请人:北京理工大学